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Autor: Lic. Edgardo Faletti

2014

Sensor

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Estas pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, etc. Una variable del tipo eléctrica puede ser del tipo resistivo como una resistencia eléctrica tal como las RTD (resistance temperature detector) , una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en una termocupla), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. Un sensor se encuentra siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. En cambio el transductor Casi en cualquier tipo de máquina encontramos sensores.

Características que se deben conocer de un sensor • Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.

• Precisión: es el error de medida máximo esperado.

• Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es

nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.

• Linealidad o correlación lineal.

• Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada.

• Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida.

• Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.

• Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.

• Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

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Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos. Resolución y precisión La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

Tipos de sensores Existen una gran variedad de sensores que se ajustan a distintas realidades de medición. Las magnitudes que se pueden medir son:

• Posición lineal o angular. • Deformación. • Velocidad lineal y angular. • Aceleración. • Fuerza y par (deformación) • Caudal. • Temperatura. • Presencia. • Táctiles. • Visión artificial. • Proximidad. • Acústico (presión sonora) • Acidez. • Luz. • Captura de movimiento.

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En este documento se detallan algunos de ellos.

Posición lineal o angular

Potenciómetro La magnitud afecta al valor resistivo del sensor, el ejemplo siguiente (Figura 1) lo demuestra.

Figura 1. Sensor potenciómetro aplicado a un tanque de combustible.

Para el caso de la figura 1, al variar el nivel de combustible modifica el valor del potenciómetro. Esto trae como consecuencia una variación proporcional de la corriente que es medida por el instrumento. El instrumento corresponde a un miliamperímetro cuya escala refleja los distintos niveles del tanque. La variable medida es analógica. Cuando se diferencia de la posición lineal o angular hago referencia al tipo de sensor. Esto último está en función de su desplazamiento que tiene el cursor que modifica de manera directa al valor de su resistencia.

Figura 2. Sensor potenciómetro de posicionamiento angular.

Figura 3. Sensor potenciómetro de posición lineal.

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Encoder (Codificador)

Este tipo de sensor entrega señal del tipo digital, un ejemplo sencillo que la variación del valor medido se traduzca en un conjunto de números binarios. Éstos corresponden al valor de la misma variable. El funcionamiento corresponde a un conversor del tipo analógico a digital (CAD). Hay una gran variedad de encoders, una aplicación típica se encuentran para los motores de continua (DC). Como ejemplos más cercanos para motores de trenes o en los generadores de las turbinas eólicas. Su función es la de convertir el movimiento mecánico (giros del eje) en pulsos digitales o hay también análogos que pueden ser interpretados por un controlador de movimiento.

Figura 3. Encoder óptico-Disco codificado.

El disco codificado está construido de vidrio o plástico. La codificación está desarrollada entre las partes transparentes y opacas que dejan o no pasar la luz emitida por la fuente. La luz utilizada es normalmente infrarroja (IR). A medida que el eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que es recibida por el sensor óptico (o foto-transistor) generando los pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del disco o es bloqueada en diferentes secciones de este. Esto produce una secuencia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la dirección del movimiento e incluso la velocidad. Existen básicamente cinco tipos de encoders, según sus diseños básicos y funcionalidad:

1. Incremental. 2. Absoluto. 3. Óptico 4. Lineal. 5. Cuadratura.

El encoder incremental, como su nombre lo indica, determina el ángulo de posición por medio de realizar cuentas incrementales. Esto quiere decir que el encoder incremental provee una posición estratégica desde donde siempre comenzará la cuenta (Marca de cero). La posición actual del sensor es incremental cuando es comparada con la última posición registrada por el mismo. Éstos son un tipo de encoder óptico y en este tipo de dispositivo, cada posición es completamente única. Básica mente cuenta pulsos.

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Figura 4. Encoder Incremental.

El sensor encoder absoluto se basa en la información provista para determinar la posición absoluta en secuencia. En este tipo se ofrece un código único para cada posición.

Figura 5. Encoder Absoluto

Como observamos en la figura 5, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes codificadas en código Gray. Un código Gray de cuatro bits lo vemos en la siguiente tabla.

D C B A Ubicación -ángulo 0 0 0 0 0°-Inicio 0 0 0 1 22,5° 0 0 1 1 45,0° 0 0 1 0 67,5° 0 1 1 0 90,0° 0 1 1 1 112,5° 0 1 0 1 135,0° 0 1 0 0 157,5° 1 1 0 0 180,0° 1 1 0 1 202,5° 1 1 1 1 225,0° 1 1 1 0 247,5° 1 0 1 0 270,0° 1 0 1 1 292,5° 1 0 0 1 315,0° 1 0 0 0 337,5°

TABLA 1. Código Gray indica la zona en dónde se encuentra el rotor, específicamente su ángulo.

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Los encoders absolutos se dividen en dos grupos:

1. Un solo giro. 2. Giro múltiple o multivueltas: puede detectar y almacenar más de una revolución.

Los encoders absolutos son más comúnmente usados en motores eléctricos de corriente directa sin escobillas (Brushless). El encoder óptico (figura 1) es el tipo más comúnmente usado y consta básicamente de tres partes:

a) Fuente emisora de luz. b) Disco giratorio. c) Detector de luz conocido como “foto detector”.

Figura 6. Partes de un Encoder óptico.

El encoder del tipo lineal es un dispositivo o sensor que cuenta con una escala graduada para determinar su posición. Los sensores leen la escala para después convertir su posición codificada en una señal digital que puede ser interpretada por un controlador de movimiento electrónico. Estos modelos pueden ser del tipo absolutos o incrementales. Varían en la tecnología utilizada como por ejemplo óptica, magnética inductiva o capacitiva. Se utiliza en aplicaciones de metrología, sistemas de movimiento y para controlar instrumentos de alta precisión en la fabricación de herramientas.

Figura 7. Encoder del tipo lineal.

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El tipo de encoder de cuadratura es del tipo rotativo incremental, el cual tiene la capacidad de indicar tanto la posición como la dirección y la velocidad del movimiento. Se encuentran con mucha más frecuencia en muchos productos eléctricos de consumo y en una infinidad de aplicaciones comerciales. La flexibilidad estos es su principal ventaja, ya que ofrecen una alta resolución, medición con precisión quirúrgica y pueden trabajar en un gran espectro de velocidades que van desde unas cuantas revoluciones por minuto hasta velocidades que van más allá de las 5.000 rpm.

Figura 8. Estructura básica de un encoder en cuadratura.

La figura 7 corresponde a un tipo de encoder incremental que utiliza dos sensores ópticos posicionados con un desplazamiento de ¼ de ranura el uno del otro, generando dos señales de pulsos digitales desfasada en 90º o en cuadratura. A estas señales de salida, se les llama comúnmente A y B. Mediante ellas es posible suministrar los datos de posición, velocidad y dirección de rotación del eje. Si se incluye la señal de referencia, se le denomina I (índice). La secuencia con el rotor en sentido horario es:

I (ÍNDICE) A B Giro 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 UNA ROTACIÓN 1 0 1 0 0 0

TABLA 2. Secuencia de un encoder absoluto en cuadratura.

Usualmente, si la señal A adelanta a la señal B (la señal A toma valor lógico “1” antes que la señal B, por ejemplo), se establece el convenio de que el eje está rotando en sentido horario, mientras que si B adelanta a A, el sentido será anti-horario. (ver Figura 7).

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Sensor de Efecto Hall

La señal que obtenemos es digital, se lo utiliza normalmente de la forma on/off. Se puede aplicar para la medición de campos magnéticos, corrientes o para la determinación de la posición de un objeto. Como sensor de posición o detector para componentes magnéticos, los sensores Hall son especialmente ventajosos si la variación del campo magnético es comparativamente lenta o nula. En estos casos el inductor usado como sensor no provee un voltaje de inducción relevante. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor hall, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un objeto, siempre que sea ferromagnético. Son mejores que los sensores del tipo inductivo (basado en un imán permanente y una bobina). Dado que en este caso el sensor, por estar implementado por un semiconductor, tiene la capacidad de poseer electrónica integrada, la señal que sale de los sensores por efecto Hall para uso como detectores de proximidad por lo general ya está amplificada y condicionada, de modo que su utilización es mucho más directa, fácil y económica. Se utilizan también chips por efecto Hall como interruptores accionados por el campo magnético de un imán. Un caso concreto es en los sensores de los sistemas de alarma (aquellos que se colocan en puertas y ventanas, para detectar su apertura). Estos interruptores tienen la ventaja de no sufrir fricción al ser accionados, ya que el único elemento que toma contacto es el campo magnético, comparativamente con los “reed switch”. Son utilizados en teclados de alta eficiencia, y estos mismos interruptores se pueden usar como sensores de choque (contacto físico), posición de un mecanismo, cuentavueltas, final de de carrera y otras detecciones mecánicas dentro y en el exterior de una automatización.

Figura 9. Conexionado de un sensor de efecto Hall.

Deformación y Desplazamiento

En el caso por deformación, el sensor cambia su estado cuando existe variaciones en su superficie y en consecuencia un cambio de su resistencia eléctrica, tal como en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de un semiconductor. Si el dispositivo es por desplazamiento esto se hace mediante la variación del recorrido de un eje que afecta a los valores inductivos de un conjunto de bobinas.

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Transformador diferencial de variación lineal El tipo de señal que se obtiene en su salida es analógica.

Figura 10. Corte de un sensor del tipo de transformador diferencial de variación lineal.

También conocido como LVDT según sus siglas en inglés es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo. Cuando una corriente alterna circula a través del primario, causa una tensión que es inducida a cada secundario proporcionalmente a la inductancia mutua con el primario. La frecuencia del oscilador que causa la corriente alterna está en el rango de 1 a 10 kHz. A medida que el núcleo se mueve, la inductancia mutua cambia, causando que la tensión inducida en el secundario se modifique. Las bobinas están conectadas en serie pero invertidas, así que el voltaje de salida es la diferencia (por eso es "diferencial") entre los dos voltajes secundarios. Cuando el núcleo está en su posición central, se encuentra equidistante a los dos secundarios, las tensiones inducidas son iguales pero de signo opuesto, así que el valor de la VOUT es cero. Cuando el núcleo es desplazado en una dirección, la tensión en una bobina aumenta mientras que en la otra disminuye, causando que la VOUT también aumente desde cero hasta su máximo. Este VOUT tiene la misma fase que la tensión del primario. La magnitud de la tensión de salida es proporcional a la distancia en que fue desplazado el núcleo (hasta cierto límite), por eso el dispositivo es descrito como "lineal". La fase de la tensión indica la dirección del desplazamiento. Debido a que el núcleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse prácticamente sin fricción, haciendo del LVDT un dispositivo muy fiable. Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos Los LVDT proveen una salida de 0-10 V y corrientes que oscilan entre los 4-20 mA

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Figura 11. Secuencia del núcleo desplazándose y el efecto que esto produce.

Galga Extensiométrica

Figura 12. Placa de una galga extensiométrica

La galga extensiométrica es un sensor, para medir la deformación, presión, carga, torque, posición, entre otras cosas, que está basado en el efecto piezorresistivo, el cual es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se le someten a ciertos esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica, esta variación puede ser por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad. La galga extensiométrica hace una lectura directa de deformaciones longitudinales en cierto punto del material que se está analizando. En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la

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lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica. Habitualmente una galga extensiométrica consiste de un alambre muy fino, o más comúnmente un papel metálico arreglado en forma de rejilla, que se puede unir por medio de soldadura a un dispositivo que pueda leer la resistencia generada por la galga. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal. Las galgas extensiométricas también pueden combinarse con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta los esfuerzos. Estos tipos de sensores deben ser puntuales para así poder medir esfuerzos en puntos concretos. En la práctica las dimensiones de la galga son apreciables por lo tanto se supone que el punto de medida es el centro geométrico de la galga. Si se pretenden medir vibraciones, es necesario que la longitud de las ondas de esas vibraciones sea mayor que la longitud de la galga. Las galgas pueden estar cementadas en una placa pequeña o dos elementos presionan el alambre que transporta la electricidad. Las galgas tienen ciertas características físicas, que se encuentran en su tamaño, peso y materiales con los que fueron hecha, es pequeña y dura lo que facilita la velocidad en que genera las respuestas,; estas son muy importantes puesto que el resultado correcto depende de estos aspectos. Existen también características que dependen de la fabricación de la galga, por ejemplo, la temperatura del funcionamiento y el factor de la galga, este indica la sensibilidad que tiene el sensor. También la resistencia de la galga, el coeficiente de temperatura, la prueba de fatiga y el coeficiente de expansión lineal; son características necesarias para conocer bajo qué circunstancias la galga arroja los resultados adecuados.

La galga extensiométrica hace una lectura directa de deformaciones longitudinales en cierto punto del material que se está analizando. La unidad que lo representa es épsilon, esta unidad es adimensional y expresa el cambio de la longitud sobre la longitud inicial. En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica. Habitualmente una galga extensiométrica consiste de un alambre muy fino, o más comúnmente un papel metálico arreglado en forma de rejilla, que se puede unir por medio de soldadura a un dispositivo que pueda leer la resistencia generada por la galga. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal. Las galgas extensiométricas también pueden combinarse con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta los esfuerzos. Idealmente, las galgas deberían ser puntuales para así poder medir esfuerzos en puntos concretos. En la práctica las dimensiones de la galga son apreciables por lo tanto se supone que el punto de medida es el centro geométrico de la galga. Si se pretenden medir vibraciones, es necesario que la longitud de las ondas de esas vibraciones sean mayores que la longitud de la galga. Las galgas pueden estar cementadas en un placa pequeña o dos elementos presionan el alambre que transporta la electricidad. Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son alambres muy pequeños de aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán (Níquel 60%-Cobre 40%), nicrom, Chromel (Níquel-Cromo), aleaciones (Hierro-Cromo-Aluminio), y los elementos como los semiconductores tenemos como el silicio y el germanio o gravado en laminillas metálicas

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delgadas. Es por ello que las galgas se clasifican en dos tipos: las metálicas y las semiconductoras. Magnetoestrictivo

La señal de salida del sensor es del tipo digital y la entrada en analógica poseer los elementos necesarios.

Figura 13. Sensor magnetoestrictivo de posición lineal absoluto para la hidráulica móvil

La magnetostricción es la propiedad de los materiales magnéticos que hace que estos cambien de forma al encontrarse en presencia de un campo magnético. Las vibraciones en forma de sonido son causadas por la frecuencia de las fluctuaciones del campo magnético. Éste fenómeno es parte de la causa de que se encuentren vibraciones de 100 Hz ó 120 Hz en máquinas eléctricas como motores y transformadores. Los materiales ferromagnéticos tienen la propiedad de cambiar de forma en presencia de los campos magnéticos. Para generar electricidad se utiliza la magnetrostricción inversa, la aplicación de compresión cambia el flujo magnético lo que según la ley de Faraday induce un campo eléctrico. Los sensores magnetoestrictivos están basados en la detección de eco de un impulso ultrasónico generado por la deformación elástica que se produce en algunos materiales bajo el efecto de un campo magnético. Consisten básicamente en una varilla de material magnético en la que se genera una perturbación ultrasónica mediante una bobina inductora. Sobre la varilla se coloca un imán móvil que puede deslizarse. El imán provoca un cambio de permeabilidad del medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica, pudiéndose detectar la distancia del imán por el tiempo en recibir el eco. En general, se excita con una señal cuadrada y se mide el desfase entre ésta y el eco, tal como se muestra en la figura 13. Este tipo de transductores suelen ser muy robustos y muy aptos para ambientes agresivos, con distancias de detección de hasta 10 metros.

Figura 14. Principio de un sensor magnetoestrictivo

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Figura 15. Sensor con su anillo magnético

Magnetorresistivos (MR) La señal que se opera es del tipo de analógica. los sensores magnetorresistivos (MR) utilizan el efecto magneto-resistivo, que se basa en la propiedad de un material que cambia su resistividad por la presencia de un campo magnético externo. Este efecto se usa principalmente para la medición angular y la velocidad rotacional, donde no se requiera la linealización de la característica del sensor. Por lo tanto, son un excelente medio de medida tanto en desplazamiento lineal como en angular, bajo condiciones ambientales extremas en aplicaciones en automoción o maquinaria (ruedas dentadas, varillas de metal, levas, etc.). Otra aplicación de los sensores magnetorresistivos es la medición de velocidad rotacional. Un ejemplo donde las propiedades de estos sensores puedan ser útiles es en las aplicaciones de automoción, tal como detección de velocidad de una rueda para el ABS, en sistemas de control de motores y en detectores de posición para la medición de la posición de un chasis, en la medición de posición de válvulas o de los pedales. En la figura 16 se muestra el principio de trabajo básico de un sensor MR, con una tira de material ferromagnético llamado permalloy (20% de Fe, 80% de Ni). Suponiendo que, cuando no está presente un campo magnético externo, el permalloy tiene un vector de magnetización interno paralelo al flujo de la corriente ‘I’ de izquierda a derecha. Si se aplica un campo magnético externo ‘H’ paralelo al plano del permalloy, pero perpendicular al flujo de la corriente ‘I’, el vector de magnetización interno del permalloy rotará alrededor de un ángulo α. Como resultado, la resistencia ‘R’ del ‘permalloy’ cambiará en función del ángulo de rotación α, dado por: 𝑅 = 𝑅0 + ∆𝑅0𝐶𝑂𝑆2 𝛼

Figura 16. Principio de funcionamiento de un sensor MT.

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Figura 17. Efecto del permaloy frente al campo magnético

R0 y ∆R0 son parámetros del material y para lograr las características óptimas del sensor, se busca un valor alto de R0 y una baja magneto-restricción. Con este material, ∆R0 es del orden del 3%. Es obvio que es una ecuación cuadrática, es decir, que la característica de la resistencia/campo magnético no es lineal, entonces, cada valor de R no está asociado necesariamente con un único valor de H. Básicamente, el efecto MR se puede utilizar para la medición angular y la velocidad rotacional, donde no se requiera la linealización de la característica del sensor.

Figura 18. Aspecto genérico de un sensor magnetorresistivo

Velocidad lineal y Angular

Dinamo Tacométrica

Las dinamos tacométricas son máquinas eléctricas rotativas especiales que, en los últimos años, se han convertido en excelentes colaboradores en los procesos de regulación de velocidades de giro.

Figura 19. Dinamo Tacométrica de eje saliente

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La primitiva función de las dinamos tacométricas, denominadas también tacodinamos o tacómetros, fue simplemente de control, como indicadores del número de r. p. m. de ejes de giro. Actualmente sólo determinados tipos de tacodinamos, los más reducidos, simples y menos precisos, se utilizan como indicadores. La importancia de las dinamos tacométricas modernas reside en su participación directa en el proceso de regulación. En las instalaciones de regulación electrónica, las dinamos tacométricas son elementos aislados que por su disposición en el conjunto (van acopladas a los sistemas motrices) parecen ajenas al circuito electrónico; sin embargo, no es así, sino que participan activamente en el proceso de regulación, y de su exactitud depende la buena marcha de toda la operación.

Principios de funcionamiento: Dinamos Tacométricas (tacodinamo), estos proporcionan una señal de corriente continua. Están constituidos por un inductor que genera un campo magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor. Suelen tener una sensibilidad entre 5 y 10 mV por cada r.p.m. y pueden medir velocidades de hasta 10000 r.p.m. Este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión corresponde una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. Encoder (desarrollado anteriormente)

Detector inductivo

Si bien se utilizan como sistemas del tipo ON/OFF o bien de proximidad, se puede medir la velocidad tomando en cuenta la frecuencia que se obtiene en su salida.

Figura 20. Aplicación de un detector inductivo.

La salida es cuando hay presencia de la cara ferromagnética una tensión de fuente y cuando no la hay no habrá tensión. Por lo tanto tendrá un tipo de señal similar a la cuadrada. Al variar la velocidad de rotación, variará la frecuencia.

Principio de funcionamiento: Los sensores inductivos sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo.

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Internamente este tipo de sensor posee una bobina que está sometida a una determinada frecuencia, es decir que el inductor presenta una reactancia inductiva. Al acercar un material magnético produce una disminución del valor de esta inductancia. Se puede realizar una gráfica en función del comportamiento del sensor frenta a la presencia de un objeto metálico.

Figura 21. Respuesta de un sensor inductivo frente a un objeto.

Servo-inclinómetros

Figura 22. Sensor de inclinación.

Los inclinómetros están diseñados para medir inclinación angular horizontal y vertical con resolución virtualmente infinita. Proporcionan medidas de alta precisión y fiabilidad, esenciales en aplicaciones de defensa, aerospacio, transportes e industria. Los sensores inerciales con mecanismos servo de lazo cerrado permiten medir inclinación en los ejes X e Y: el cabeceo (pitch) y alabeo (roll) con altísima sensibilidad, mientras que los inclinómetros basados en MEMS (estado sólido) son sensores más económicos para aplicaciones que requieran buena precisión, pequeño tamaño, frecuencia de respuesta alta y bajo consumo. Los inclinómetros conductivos varían la conductividad eléctrica en función del grado de pasaje de corriente entre sus bornes.

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RVDT -Transformador Diferencial de Variable Rotatoria. Estos sensores sirven para medir desplazamiento angular.

Figura 23. Principio de funcionamiento RVDT

El principio de funcionamiento es similar a los LVDT, al girar el núcleo modifica la inductancia produciendo diferencias en los niveles de salida del transformador, que funciona como un diferencial. Giróscopo y Acelerómetro

Los giróscopos se encuentran en los teléfonos ya que su función es la de mantener la orientación de la pantalla. Los sensores giroscópicos pueden monitorear y controlar posiciones del dispositivo como la orientación, la dirección, el movimiento angular y la rotación. Cuando se aplica a un teléfono inteligente, un sensor giroscópico comúnmente lleva a cabo funciones de reconocimiento de gestos. Además, los giroscopios en los teléfonos inteligentes ayudan a determinar la posición y orientación del teléfono. Un acelerómetro es un elemento sensor que mide la aceleración, así como el ángulo de inclinación, la rotación, la vibración, el choque y la gravedad. Para ofrecer funcionalidad en un teléfono inteligente, el software del acelerómetro debe traducir los datos proporcionados por el sensor. Los teléfonos inteligentes utilizan varios tipos de acelerómetros, siendo el elemento sensor y el software las principales diferencias entre ellos. Cuando se aplica a un teléfono inteligente, un acelerómetro puede cambiar automáticamente la orientación del dispositivo de vertical a horizontal.

Acelerómetro piezoeléctrico

El acelerómetro es uno de los transductores más versátiles, siendo el más común el piezoeléctrico por compresión. Este se basa en que, cuando se comprime un retículo cristalino piezoeléctrico, se produce una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.

Los elementos piezoeléctricos están hechos normalmente de circonato de plomo. Los elementos piezoeléctricos se encuentran comprimidos por una masa, sujeta al otro lado por un muelle y todo el conjunto dentro de una caja metálica. Cuando el conjunto es sometido a vibración, el disco piezoeléctrico se ve sometido a una fuerza variable, proporcional a la aceleración de la masa. Debido al efecto piezoeléctrico se desarrolla un potencial variable que será proporcional a la aceleración. Dicho potencial variable se puede registrar sobre un osciloscopio o voltímetro.

Este dispositivo junto con los circuitos electrónicos asociados se puede usar para la medida de velocidad y desplazamiento además de la determinación de formas de onda y frecuencia. Una de las ventajas principales de este tipo de transductor es

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que se puede hacer tan pequeño que su influencia sea despreciable sobre el dispositivo vibrador. El intervalo de frecuencia típica es de 2 Hz a 10 KHz.

Figura 24. Acelerómetro piezoeléctrico de cuarzo.

Los acelerómetros electrónicos permiten medir la aceleración en una, dos o tres dimensiones, esto es, en tres direcciones del espacio ortonormales. Esta característica permite medir la inclinación de un cuerpo, puesto que es posible determinar con el acelerómetro la componente de la aceleración provocada por la gravedad que actúa sobre el cuerpo.

Un acelerómetro también es usado para determinar la posición de un cuerpo, pues al conocerse su aceleración en todo momento, es posible calcular los desplazamientos que tuvo. Considerando que se conocen la posición y velocidad original del cuerpo bajo análisis, y sumando los desplazamientos medidos se determina la posición.

Encontramos los siguientes tipos de acelerómetros:

• Acelerómetros de efecto Hall.- Utilizan una masa sísmica donde se coloca un imán y un sensor de efecto Hall que detecta cambios en el campo magnético

• Acelerómetros de condensador.- Miden el cambio de capacidad eléctrica de un condensador mediante una masa sísmica situada entre las placas del mismo, que al moverse hace cambiar la corriente que circula entre las placas del capacitor.

Fuerza y par (deformación)

Galga Extensiométrica

Figura 25. Estructura de una galga extensiométrica.

Una galga extensiométrica consiste de un alambre muy fino, o más comúnmente un papel metálico arreglado en forma de rejilla como se muestra en la figura. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal.

El parámetro que define la sensibilidad de una galga se conoce como factor de galga GF, y es definido como el cociente entre el cambio fraccional de la resistencia eléctrica y la tensión .

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El circuito más comúnmente empleado con galgas es el circuito puente. En la figura de abajo a la izquierda se muestra la conexión de un circuito puente con una galga.

Figura 26. Conexión puente para medición con galga.

No desarrollo en este escrito los sensores triaxiles que también se utilizan para medir fuerza y que utilizan el efecto piezoeléctrico. Presión Membrana

Figura 27. Modelo de un sensor a presión.

Figura 28. Sensor de membrana gruesa.

Es un sensor que la presión desplaza a la membrana generando presión a la pastilla piezeléctrica. La presión genera una diferencia de potencial relacionada con esta.

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Caudal

Turbina Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cuales giran cuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos la velocidad y el área del conducto se puede determinar el caudal. Las turbinas deben instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente.

Figura 29. Sensor del tipo turbina

• Magnético

Figura 30. Medidor de caudal magnético.

Este tipo de medidores de flujo son, especialmente, apropiados para la medición del flujo volumétrico de electricidad en medios conductivos, como: ácidos, alcalinos, solución salina, barro, pulpa, efluentes, etc. La teoría de trabajo del medidor de flujo electromagnético se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday. Cuando los líquidos conductores se mueven en un ángulo correcto a través de un campo magnético, el voltaje inducido (E) es generado en el conductor.

El voltaje inducido se puede calcular de acuerdo con la siguiente ecuación:

donde: E es la fuerza electromotriz en voltios, k es una constante B densidad del flujo magnético en tesla, D es el diámetro interior del tubo en metros , es la velocidad media del conductor en la dirección de los ejes de la sección del poste, en

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metros por segundo cuando el fluido pasa a través del campo magnético de forma perpendicular a la dirección del flujo, los conductores eléctricos generaran voltaje en proporción a la velocidad media ( esto es, flujo volumétrico). Por lo tanto, el fluido que se esta midiendo, debe alcanzar el mínimo de conductividad. Señales del voltaje inducido serán detectadas inicialmente por dos postes, los cuales están directamente conectados con el líquido. Entonces, estas señales son transmitidas a un amplificados a través de un cable y finalmente se convierte en una señal unificada de salida. En tubos no magnéticos, la tasa del flujo se calcula a través de la medición de la velocidad media del fluido eléctrico conductor.

Temperatura

• Termocupla

Figura 31. Funcionamiento de una termocupla.

Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la industria. Una termocupla se hace con dós alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Este sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera. Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las condiciones extremas en ocasiones del proceso industrial que tratan de ayudar a controlar, por ejemplo suele utilizarse acero inoxidable para la vaina, de manera que en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio( cabezal ). Además según la distancia a los aparatos encargados de tratar la pequeña señal eléctrica de estos transductores, también deben utilizarse cables compensados para transportar esta señal sin que la modifique o la modifique de una manera fácilmente reconocible y reversible para los dispositivos de tratamiento de la señal. También se da el caso de que los materiales empleados en la termocupla como el platino puro, hagan inviable económicamente extender la longitud de los terminales de medición de la termocupla.

Figura 32. Estructura de una termocupla.

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A continuación se puede detallar las ventajas e inconvenientes de los distintos tipos de termocuplas:

Tipo B: Capacidad para medir temperaturas levemente más altas, mayor estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente. Resultan adecuadas para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700º C. También resultan satisfactorias durante cortos períodos de tiempo en vacío. Baja tensión de salida , incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (como ser hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (eso es, de plomo o zinc ) o no metálicos (arsénico, fósforo o azufre). Nunca se la debe usar con un tubo de protección metálico.

Tipo R: Pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400º C. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre la Tipo B es su mayor f.e.m. de salida. Nunca se las deben usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos fácilmente reducidos, a menos que se las protejan adecuadamente con tubos protectores no metálicos. Nunca deben ser insertadas directamente dentro de una vaina metálica

Tipo S: La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480º C. Tienen las mismas limitaciones que las termocuplas Tipo R y Tipo B pero son menos estables que la termocupla Tipo B cuando se las utiliza en vacío.

Tipo J: Para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760° C. Por encima de 540° C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo. No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540° C. A causa de la oxidación y fragilidad potencial , no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0°C . No deben someterse a ciclos por encima de 760° C , aún durante cortos períodos de tiempo, si en algún momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura.

Tipo K: Para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en él hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370° C para un diámetro de 3,25 mm. Resultan adecuadas para mediciones debajo de 0°C , pero se recomienda para ese propósito a las termocuplas Tipo E.

Tipo E: Posee la mayor f.e.m. de salida de todas las termocuplas estándar. Para un diámetro de 3,25 mm su alcance recomendado es – 200° C a 980°C. Estas termocuplas se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuadas para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero a raíz de su elevada f.e.m. de salida y su buena resistencia a la corrosión.

La termocupla tiene un problema que es la compensación del cero. Esto se debe en que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre. En ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente en el punto del empalme.

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• RTD (Resistance Temperature Detectors) Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) detectan con precisión la temperatura con un excelente grado de repetibilidad . El RTD se compone de ciertos elementos metálicos cuyo cambio en la resistencia es una función de la temperatura. En funcionamiento, una pequeña corriente de excitación se hace pasar a través del elemento, y la tensión, que es proporcional a la resistencia, se mide a continuación, y se convierte en unidades de calibración de la temperatura. El elemento RTD está fabricado con un enrollando de alambre (hilos enrollados) o de una película delgada sobre una base de cerámica o de vidrio y sellando este elemento dentro de una cápsula de cerámica o de vidrio. Como la mayoría de RTD deben tener una resistencia inicial baja, a menudo 100 ohmios, y tienen un pequeño cambio en la resistencia por unidad de intervalo de temperatura, la resistencia del alambre de plomo es a menudo compensada con una configuración de puente de tres o cuatro cables integrado en los dispositivos de medición. Mediante la selección de los elementos propios y envoltura de protección, RTD puede funcionar en un rango de temperatura de (-200 a 650) ° C [-328 a 1202] ° F.

Figura 33. Conexionado de una RTD.

• Termistor NTC y PTC

Son resistencias no lineales porque su resistencia no varía de forma proporcional al valor de la magnitud que las modifica. Estas resistencias pertenecen al mismo grupo de las semiconductores, aunque dependen de magnitudes diferentes. La resistencia NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia cuyo valor óhmico depende de la temperatura. Esta resistencia se caracteriza por su disminución del valor óhmico a medida que aumenta la temperatura, por tanto presenta un coeficiente de temperatura negativo en cambio la resistencia PTC (Positive Temperature Coefficient) se caracteriza por el aumento del valor óhmico a medida que aumenta la temperatura, por tanto presenta un coeficiente de temperatura positivo.

Figura 34.- A. Termistor PTC - B. Termistor NTC.

A

B

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Los termitores NTC, se fabrican a partir de óxidos semiconductores, de los metales del grupo del hierro, pero como la resistencia específica de estos óxidos en estado puro es muy elevada, se les añaden pequeñas cantidades de otros iones de distinta valencia. Entonces para la fabricación de éstas se usa el óxido de níquel o el óxido de cobalto combinados con óxido de litio. En el proceso de fabricación los óxidos son transformados en polvo fino con dimensión de grano comprendida entre 10 y 50 micras. Se aglomeran, mezclan y, con métodos de extrusión, se les da forma de cilindro o de tubo. Después de metalizar los extremos de las barras, se someten a un proceso de estabilización calentándolos a temperatura superior a la máxima de funcionamiento. Finalmente se protege la superficie con barnices o esmaltes refractarios. Las resistencias PTC se fabrican a partir de BaTi03 o soluciones sólidas de los titanatos de bario y de estroncio. El proceso de fabricación es análogo al de los termitores NTC.

• Termostato Bimetal

Un termostato es el componente de un sistema de control simple que abre o cierra un circuito eléctrico en función de la temperatura. Su versión más simple consiste en una lámina metálica como la que utilizan los equipos de aire acondicionado para apagar o encender el compresor. Otro ejemplo lo podemos encontrar en los motores de combustión interna, donde controlan el flujo del líquido refrigerante que regresa al radiador dependiendo de la temperatura del motor. Los bimetálicos consisten en dos láminas de metal unidas, con diferente coeficiente de dilatación térmico. Cuando la temperatura cambia, la lámina cambia de forma actuando sobre unos contactos que cierran un circuito eléctrico.

Pueden ser normalmente abiertos o normalmente cerrados cambiando su estado cuando la temperatura alcanza el nivel para el que son preparados.

Figura 35. Estructura de un termostato bimetálico.

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Por Luz y Presencia

Los sensores básicos que trabajan con la recepción de la luz en la versión pasiva como

el LDR y en la activa tal como el fotodiodo y el fototransistor. Fotodiodo/fototransistor

Figura 36. Imagen de un fotodiodo (receptor)

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión P-N, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad. Un fototransistor es similar al diodo, pero con la ventaja de ser más sensible para la conducción. Polarizando su base correctamente el fototransisitor satura.

Figura 37 – Receptor a fototransistor.

Fotorresistencia (LDR)

Figura 38. Encapsulado típico de una LDR

La fotorresistencia, también llamada LDR debido a que en terminología inglesa su nombre es Light-Dependet resistor , pertenece al grupo de los llamados sensores fotoeléctricos, es decir aquellos que responden al cambio en la intensidad de la luz, algunos de ellos ( no es el caso de la fotorresistencia) llevan incorporados una fuente luminosa, generalmente la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz.

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Realmente una fotorresistencia( o también llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica) es una resistencia cualquiera que cambia su valor dependiendo de la cantidad de luz que lo ilumina, en especial, disminuye cuando aumenta la intensidad de la luz incidente, el valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede variar entre 1KΩ hasta 50Ω) y bastante alto cuando está en penumbra (aproximadamente 50KΩ).

Como se puede apreciar en la imagen adjunta, la fotorresistencia consta de un cuerpo compuesto por una célula o celda y dos terminales .El cuerpo del mismo está compuesto por sulfuro de cadmio un material semiconductor, el cual hace variar el valor de la resistencia dependiendo de la luz incidida en el mismo, esta luz si es de alta frecuencia(incluida las frecuencias infrarrojas , ultravioletas y otras frecuencias que puedan encontrarse en el espectro electromagnético) los fotones son absorbidos por la elasticidad del sulfato de cadmio lo que favorece que surja un electrón libre que pueda conducir la electricidad disminuyendo así su resistencia.

Ya como dispositivos más complejos, es decir que dentro de su estructura cuentan con amplificadores y filtros tenemos los siguientes sistemas:

• Fotoeléctrico

Figura 39. Distintos tipos de sensores fotoeléctricos.

Un sensor fotoeléctrico o fotocélula es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que percibe la luz generada por el emisor. Se pueden encontrar distintas topologías en este tipo de sensado por luz:

• Barrera de luz

Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Debido a que el modo de operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, la detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo del objeto a detectar. Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados. Esto se debe a que la luz emitida siempre tiende a alejarse del centro de la trayectoria. Ventajas e Inconvenientes: La luz solo tiene que atravesar el espacio de trabajo una vez, por lo que se favorecen grandes distancias de funcionamiento, hasta 60 metros. Son apropiadas para condiciones ambientales poco favorables, como suciedad, humedad, o utilización a la intemperie, así como independientemente del color del objeto realiza una detección precisa del objeto. La instalación se ve dificultada por tener que colocar dos aparatos separados y con los ejes ópticos alineados de manera precisa y delicada, ya que el detector emite en infrarrojos. Precauciones de montaje: A la hora del montaje hay que tener en cuenta las superficies reflectantes cercanas a los dispositivos, provocando un mal funcionamiento de la fotocélula. También hay que tener en cuenta las posibles interferencias mutuas por la cercanía de varios de estos dispositivos, además de

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controlar los ambientes sucios, ya que la suciedad afecta negativamente en la lente emisora.

• Reflexión sobre espejo

La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor no experimenta cambios. Ventajas e Inconvenientes: En estas fotocélulas el haz de luz recorre dos veces la distancia de detección, con lo cual las distancias de trabajo que se consiguen son medias (de unos 15 metros). El espejo es fácil de instalar, y no se necesita cableado hasta el mismo, por lo que solo hay que cablear un detector. Además de ser válidos para detección de objetos opacos, también cubren eficientemente aplicaciones con detección de objetos con cierto grado de transparencia. El problema más llamativo es que el objeto a detectar tiene que ser mayor que el espejo y, a ser posible, no reflectante, además de que la alineación tiene que ser precisa. Precauciones de montaje: Un objeto con superficie reflectante puede provocar errores de detección.

Esto se puede evitar haciendo que la reflexión del objeto a detectar no tenga la

misma inclinación que el haz del detector. Reflexión sobre objeto: Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados. Hay dos tipos de fotocélulas de reflexión sobre objeto, las de reflexión difusa y las de reflexión definida.

• Reflexión difusa

En las fotocélulas de reflexión difusa sobre el objeto el emisor lanza un haz de luz; los rayos del haz se pierden en el espacio si no hay objeto, pero cuando hay presencia de objeto, la superficie de éste produce una reflexión difusa de la luz, parte de la cual incide sobre el receptor y se cambia así la señal de salida de la fotocélula.

Figura 40. Sensor fotoeléctrico

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Figura 41. Descriptivo de los distintos tipos de sensado por luz.

• Reflexión definida

La reflexión en la superficie del objeto a detectar por las fotocélulas de reflexión definida normalmente es de carácter difuso, como en los sensores de reflexión difusa, o sea que los rayos reflejados salen sin una trayectoria determinada. Esto es muy importante, para no caer en la falsa idea de que la diferencia respecto a los sensores de reflexión difusa está en el tipo de reflexión; lo está en el tipo de óptica empleada. En las fotocélulas de reflexión definida la fuente de luz está a una distancia mayor que la distancia focal, por lo que el haz converge a un punto del eje óptico.

Encontramos distintos tipos de sensores para registrar presencia: • Infrarrojos

Los más sencillos y habituales son los denominados Passive Infrared (PIR) y están basados en la diferencia de calor emitido por los seres humanos en movimiento respecto al del espacio vacío. Estos sensores, de tipo pasivo, no son capaces de “ver” a través de obstáculos, incluyendo cristal, y poseen una sensibilidad baja, por lo que no se recomienda para pequeños movimientos o para superficies amplias. Así mismo, estos modelos se caracterizan por detectar peor los movimientos hacia o desde el detector, que los movimientos que “cruzan” su campo de visión. Por todo ello, los detectores PIR están indicados en zonas de paso como escaleras o aparcamientos, pero es necesario evitar fuentes de calor que apunten directamente o se encuentren cercanas, ya que desestabilizan el sensor.

Un ejemplo son los sensores fotoeléctricos. Para este caso, algunos sistemas de detección de movimiento utilizan láser y rayos IR. El láser se dispara hacia el otro lado de la habitación. Si el láser es interrumpido, entonces se activa la alarma. La configuración es del tipo barrera.

• Ultrasonidos Una tecnología más avanzada que la anterior para detectar movimiento es la basada en la emisión de ondas de ultrasonidos fuera del rango de audición humana. En este caso, la diferencia entre la frecuencia de la onda emitida y recibida es interpretada como la existencia de personas. Estos sensores, de tipo activo, son capaces de “ver” a través de esquinas y objetos, por lo que son aconsejables para la detección de movimientos pequeños y suelen cubrir superficies mayores. Este tipo de sensor está indicado para las oficinas, las salas de reuniones, así como pasillos largos y vestíbulos. Su principal desventaja es que no sólo responden al movimiento humano, sino que también el movimiento de puertas, ventanas, cortinas, o incluso papeles saliendo de una impresora podrían activar el detector.

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Una variedad menos avanzada de los detectores de ultrasonidos son los denominados “pasivos” o “microfónicos”, que se basan simplemente en la detección de presencia por medio de “escuchar” el sonido emitido en un amplio rango de frecuencias. A pesar de que es posible configurar para que “aprendan” a distinguir sobre algunos ruidos de fondo continuos como el aire acondicionado o motores, los modelos pasivos provocan un mayor porcentaje de falsos encendidos respecto a los modelos activos. Utilizan una frecuencia de alrededor de 30 kHz. El transmisor rebota las ondas de las paredes, muebles, ventanas y techo y cuando la habitación se estabiliza, se arma la alarma.

Fuera del rango ultrasónico se puede nombrar los sensores acústicos, que

también corresponden a esta misma familia.

Los sensores acústicos pueden detectar la energía producida por cualquier tipo de sonido, incluidos los vidrios rotos. En el caso de los vidrios rotos producidos por las ventanas violadas, se emite una alarma sonora.

Las ondas sonoras se manifiestan por las variaciones de presión y velocidad que ellas generan. En la mayoría de los casos el campo acústico en un punto es el resultado de la superposición de ondas sonoras que han experimentado reflexiones múltiples. Los micrófonos son los sensores que facilitan la conversión de una señal acústica en eléctrica. Se pueden aplicar diversos principios a su realización siendo la más común la combinación de fenómenos mecánico-acústicos y su conversión electromecánica. Encontramos los siguientes tipos de sensores acústicos:

Figura 42. Cápsulas de micrófonos

Tipos de Micrófonos:

Capacitivos

El micrófono de condensador está formado por una placa delgada o membrana llamada diafragma, tal que es susceptible de moverse por acción de las variaciones de presión sonora, y por otra placa posterior fija y paralela al diafragma de la figura 36. Los movimientos de éste, respecto de la placa posterior, determinan variaciones de la capacidad eléctrica del condensador así formado. La polarización del condensador se realiza a un nivel fijo de corriente continua y a través de un circuito con alta constante de tiempo (si se compara con las variaciones de presión). Las variaciones de presión provocan variaciones de la capacidad eléctrica que se traducen en variaciones de tensión. Este tipo de micrófono se caracteriza por el bajo nivel de ruido y respuesta en frecuencias uniforme así como de tener una adecuada sensibilidad acústica, lo que hacen de él un sensor muy apropiado para la medida acústica, sus principales inconvenientes son la susceptibilidad para la humedad y la pequeña capacidad de salida.

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Figura 43. Esquema de un micrófono de diafragma.

Piezoeléctricos

Este tipo de micrófono utiliza la fuerza producida por la presión del aire para deformar un material piezoeléctrico que a su vez genera carga eléctrica. Los materiales utilizados pueden ser tanto cristales naturales (cuarzo, turmalina, etc), como los creados añadiendo impurezas a una estructura cristalina natural (titanatos de Bario y titanozirconatos de Plomo). En la figura 37 se representa el esquema constructivo de un micrófono de este tipo. El diafragma se utiliza como colector de fuerza para aplicarla sobre el cristal, el esfuerzo que se le aplica es de flexión, esto obliga a disponer el cristal simplemente apoyado o en voladizo. Este micrófono es muy robusto mecánicamente aun cuando tiene una sensibilidad acústica más baja, otro inconveniente lo supone su alta sensibilidad a las vibraciones.

Figura 44. Esquema de un micrófono piezoeléctrico.

Electrodinámicos

Se denominan también de bobina móvil. Este sensor utiliza la velocidad comunicada al diafragma por la presión sonora para inducir una fuerza electromotriz en la bobina móvil que se halla en el interior de un campo magnético. Su constitución es pues muy semejante a la de un altavoz electrodinámico, la baja impedancia permite su colocación con cables largos a gran distancia de punto de análisis y su ruido interno es muy bajo, por contra la respuesta en frecuencia no es muy buena y es sensible a campos magnéticos externos y vibraciones, en la figura 38 aparece representado un esquema constructivo de este micrófono.

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Figura 45. Micrófono electrodinámico

Sensores de vibración: Un sensor de vibración es un dispositivo que convierte movimiento vibratorio a una señal ya sea óptica, mecánica o más comúnmente eléctrica que es proporcional a algún parámetro del movimiento, como aceleración. Clasificación de los sensores de vibración:

1. Sensores de referencia fija, una terminal del sensor se fija a un puto fijo en el espacio y la otra terminal se fija (ópticamente, mecánicamente o electrónicamente por ejemplo) al punto cuya vibración será medida.

Figura 46. Medición de vibraciones con un sistema de referencia fija: (A).El desplazamiento de la parte vibrante se indica por observación directa.(B) Los desplazamientos son registrados en un tambor rotatorio, describiéndose la forma de onda en función del tiempo

2. Sensor de tipo Masa-Resorte(instrumento sísmico), la única terminal es la base del sistema masa-resorte, esta base se fija en el punto donde las vibraciones serán medidas. Las vibraciones en ese punto es transmitida a la masa, produciéndose un movimiento que se determina en relación a la base del sistema.

En estructuras integradas, encontramos estos tipos de sensores en versión piezoeléctrica. La vibración genera inercia. Por razón de su inercia, una masa ejerce fuerzas de presión al ritmo de las vibraciones incitantes sobre el elemento piezocerámico de forma anular. Estas fuerzas provocan una transferencia de carga dentro del elemento de cerámica generando una tensión eléctrica que es tomada por discos de contacto y procesada subsiguientemente en la unidad de control. La sensibilidad corresponde a la tensión de salida por unidad de aceleración [mV/g].

Figura 47. Estructura de un sensor piezo-eléctrico de vibración.

Proximidad

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Final de carrera magnético

Figura 48. Reed switch expuesto al campo magnético de un imán.

Básicamente es una ampolleta de vidrio en donde puede existir un interruptor de un punto o inversor. Ante la presencia de un campo magnético uno de los contactos se acciona produciéndose el cierre del normal abierto (NA).

• Capacitivo Los sensores capacitivos, aunque también detectan materiales conductores, están especialmente indicados para la detección de materiales aislantes, tales como papel, plástico, madera, etc. Principio de funcionamiento: Consta de una sonda en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, genera un campo electroestático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el cuerpo está fuera del campo electroestático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el cuerpo se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado.

Figura 49. Concepto sobre el funcionamiento de un sensor capacitivo.

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Ventajas Desventajas • Detectan objetos metálicos, así

como líquidos y sólidos.

• Pueden ver a través de ciertos materiales.

• Son de estado sólido y tienen una larga vida útil.

• Disponen de muchas configuraciones de montaje.

• Distancia de detección corta (1 pulgada o menos) que varía en función del material detectado.

• Son muy sensibles a factores ambientales: la humedad en climas costeros o lluviosos puede afectar el resultado de la detección.

• No son selectivos con respecto al objeto detectado: es esencial controlar qué es lo que se aproxima al sensor.

Tabla 3. Ventajas y desventajas de un sensor capacitivo.

• Inductivo Los sensores de proximidad inductivos son detectores de posición electrónicos, que dan una señal de salida sin contacto mecánico directo, estos sensores detectan todo tipo de objetos metálicos. Principio de funcionamiento: consiste en una bobina cuya frecuencia de oscilación cambia al ser aproximado un objeto metálico a su superficie axial. Esta frecuencia es empleada en un circuito electrónico para conectar y desconectar un tiristor y con ello, lo que esté conectados al mismo, de forma digital (ON-OFF) o, analógicamente. Si el objeto metálico se aparta de la bobina, la oscilación vuelve a empezar y el mecanismo recupera su estado original. En las aplicaciones podemos considerar para los lugares en donde hay aceites, polvo y vibraciones.

Ventajas Desventajas

No entran en contacto con el objeto a detectar.

No se desgastan. Tienen un tiempo de detección

muy reducido. Tiempo de vida largo e

independientemente del número de detecciones.

Son insensibles al polvo y a la humedad.

Incluyen indicadores LED de estado y tienen una estructura modular.

Detectan presencias de objetos metálicos.

Pueden verse afectados por campos electromagnéticos intensos.

El margen de operación es más corto en comparación con otros sensores.

Tabla 4. Ventajas y desventajas de un sensor inductivo.

Acidez

Tipo ISFET Este tipo de sensor es un transductor potenciométrico basado en un tipo de dispositivo ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor), que utiliza como principio de medida, la modulación del canal del transistor mediante la diferencia de tensión que se establece entre la solución electrolítica y la puerta del dispositivo. La tensión de salida del transistor es función

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del pH de la disolución. Este tipo de dispositivo se obtiene mediante una tecnología NMOS de cinco niveles. La puerta metálica del transistor se sustituye por una capa de nitruro de silicio, sensible a la variación de pH de la solución.

Figura 50. Comparación del tamaño del sensor de acidez con una moneda

Figura 51. Estructura de un sensor de acidez.

Tipos de conexionados para sensores electrónicos

En sensores más integrados, los conexionados pueden estar relacionados por transferencias seriadas, cambio los sensores industriales se pueden conectar con una estructura similar a la de un transistor bipolar. Encontramos las siguientes formas o topologías:

• NPN • PNP

Según el tipo de transistor que encontremos en la etapa de salida del sensor, nos obligará

a conectar la carga de distinta manera. Esto influye en la forma de diseño de nuestra automatización. En la figura 52 observamos los dos tipos de transistores y los signos de polaridad que debe tener cada uno de ellos en el colector y el emisor.

Figura 52. Características entre NPN y PNP.

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Figura 53. Circuitos descriptivos y la relación con la carga.

Como se observa en la figura 53, utilizando un sensor tipo NPN o PNP, la función del transistor es la de habilitar el paso de la corriente, es decir que cierra el circuito cuando se lo polariza. Desde la automatización, vemos al sensor como una caja cerrada, es decir que no nos interesa cómo es la polaridad o tipo de corriente que excite al transistor. De esto último, solo sabemos que conduce cuando la variable externa (luz, calor, etc.) produce el estado de activación del propio transistor.

En el caso del sensor cuya topología en la salida es NPN, cuando el transistor se encuentre al corte (no conduce) la salida se encuentra en estado alto ( +VDC). Cuando el transistor entra en saturación (conduce), la tensión en la salida cae al nivel del 0Volt. Por eso el nombre de “sinking” que recibe este tipo de sensor.

El sensor del tipo PNP tiene una estructura diferente. La salida se mantiene en el 0Volt cuando el transistor está en el corte y al saturar el nivel de tensión sube hasta el valor de la fuente de alimentación. La designación de “sourcing” es conveniente un sensor del tipo PNP.

Figura 54. Ejemplo de conexión con un sensor del tipo PNP.

Interruptores del tipo Final de Carrera El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como interruptor de límite ( en inglés: limit switch), son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil. También, para ampliar un poco mejor este concepto, los finales de carrera son un tipo de sensor que detecta la presencia y ausencia. Específicamente, finales de carrera mecánicos son

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interruptores que se activan mecánicamente, es decir que tienen algún tipo de brazo, palanca, pomo, de émbolo, etc, que es físicamente o mecánicamente activado por la toma de contacto con otro objeto. Como el objeto hace contacto con la actuador del interruptor, con el tiempo se mueve el actuador a su "Límite", donde los contactos cambian de estado. Otras variedades de sensores / interruptores, tenemos los sensores de proximidad, luz entre otras más. En su forma más simple, un final de carrera es un "interruptor" que puede ser montado en ubicaciones remotas de manera que se acciona por un objeto que no sea un operador humano. Algunas de las funciones básicas de finales de carrera son:

• Detección de presencia / ausencia. • Contar. • La detección de la amplitud de movimientos. • La detección de posicionamiento y de fin de carrera de un cuerpo. • Romper un circuito vivo cuando las condiciones son inseguras. • La detección de la velocidad. • ... y cientos de otras aplicaciones.

Los finales de carrera son productos de solución de problemas. Normalmente hay una respuesta correcta en cuanto a que el interruptor se puede utilizar en una determinada situación. Por lo general, la elección del producto se deja al usuario determinar cómo se lo puede utilizar mejor, es decir el mejor rinde del dispositivo o aparato que se está diseñando. Finales de carrera mecánicos se pueden encontrar en cualquier aplicación industrial o comercial, donde es necesaria la detección o bien la seguridad. Hay, sin embargo, un par de desventajas en el uso finales de carrera. Algunas de las fortalezas y debilidades del producto se enumeran en la siguiente tabla (TABLA 5).

ventajas desventajas No es un problema en el cambio de

altas corrientes (hasta 10A). El contacto debe hacerse físico con

el objeto. Alta precisión, exactitud, y

repetibilidad. Componente mecánico lleva a cabo

la detección Solución Económica. Dependiendo del modelo, puede

soportar más de un entorno.

Debe hacerse físico el contacto con el objeto que se desea detectar.

El componente mecánico puede tener inconvenientes en la detección.

Tabla 5. Ventajas y desventajas de los fines de carrera.

Los finales de carrera son dispositivos más comunes de lo que uno piensa. Por ejemplo

Lo que mantiene el horno de microondas se inicie cuando la puerta se encuentre cerrada.

El encendido de la luz de la heladera cuando la puerta se abre. El impedimento que la lavadora no funcione cuando una carga esté desequilibrada.

Generalmente estos dispositivos están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento.

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Figura 55. Partes de un límite

El actuador, que toca al objeto está montado en un soporte que se denomina cabeza. Algunos tipos de fines de carrera:

1. Vástago de rodillo.

Figura 56. Vástago-tallo- de Rodillo

2. Rodillo y palanca sencilla.

Figura 57. Rodillo y palanca sencilla.

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3. Vástago

Figura 58. Fin de carrera solamente con vástago (tipo espárrago)

4. Muelle

Figura 59. Fin de carrera tipo muelle.

5. Rodillo abatible

Figura 60. Fin de carrera del tipo rodillo abatible.

Simbologías

Figura 61 . Simbologías de fin de carrera.

Fin de carrera NA

Fin de carrera NC

Fin de carrera conmutado